双轴肩搅拌摩擦焊接方法研究进展

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1、双轴肩搅拌摩擦焊接方法研究进展温泉1，李文亚1，王非凡2，杨夏炜1(1．西北工业大学陕西省摩擦焊工程技术重点实验室，西安710072；2．北京宇航系统工程研究所，北京100076)[摘要】双轴肩搅拌摩擦作为搅拌摩擦焊的一个重要变体，通过增加下轴肩实现自支撑，使搅拌摩擦焊技术应用于封闭结构(管或中空型材)的焊接。目前，双轴肩搅拌摩擦焊技术的研究与应用仍处于初始阶段，其相关理论研究尚不成熟。针对双轴肩搅拌摩擦焊的研究现状，从双轴肩搅拌摩擦焊方法分类综述了其发展概况，为双轴肩搅拌摩擦焊技术的发展和实际工程应用提供参考。关键词：双轴肩搅拌摩擦焊；搅拌头；温度场；显微

2、组织；力学性能DoI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．12．016温泉西北工业大学材料学院博士研究生。主要从事搅拌摩擦焊接过程中的冶金行为与结合质量控制、温度场与应力场数值模拟等研究。搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一项新型16航空制造技术·2017年第12期固相连接技术”‘3]。在FSW过程中，旋转的搅拌头与焊件摩擦生热，将材料加热到塑性状态(温度低于材料熔点)。同时，塑性材料在搅拌头旋转作用下发生迁移且受到轴肩的顶锻作用，最终形成致密焊缝。与传统熔化焊相比

3、，FSW具有无烟雾、弧光、飞溅，无需填丝和保护气等优点，且易于操作、自动化程度高、连接质量好㈤。尤其对铝合金的焊接而言，FSW具有元可比拟的优势，进而在航空航天、轨道车辆、舰船等领域得到广泛应用。尽管如此，FSW仍存在一些弊端，例如：(1)难以实现复杂空间无支撑曲面结构的焊接；(2)接头厚度方向易产生组织不均匀性；(3)接头根部易产生未焊透缺陷。双轴肩搅拌摩擦焊(BobbinToolFSW，BT—FSW)是FSW的一个重要变体，其下轴肩取代了FSW的背部垫板，使FSW技术能够成功应用于中空及空间无支持结构的焊接【5’6】。此外，BT—FSW降低了接头厚度方向

4、温度梯度，减小了接头组织不均匀性，彻底避免了根部缺陷的发生。鉴于此，BT—FSW有望在航空航天和高速列车等领域具有广阔的应用前景[7l。周利等隅1曾对BT—FSW技术研究现状进行了综述。在此基础上，本文结合近几年BT—FSW技术的研究新发展，对不同BT—FSW焊接方法的研究进展进行了总结。固定间隙式BT—FSW固定间隙式是最简单的一种方式，其搅拌头(见图1)采用一体式设计，对焊接设备要求低。因此，固定间隙式BT—FSW方法的研究也最广泛。张忠科等嘲、Thomas等B01、陈书锦等[1”均采用固定间隙式搅拌头焊接了不同种类的铝合金，获得了正面及背面均成形良好的

5、接头。目前，固定间隙式搅拌头”21的研究进展主要集中在搅拌针形貌的优化设计。Sued等[1剐研究了6种不同搅拌针形状对4ram厚6082一T6铝合金接头形貌的影响(见图2)。结果发现，四平面圆柱和三平面圆柱螺纹搅拌头所焊接头的表面成形较好，无任何缺陷。力学性能对比发现，四平面圆柱搅拌头所焊接头承受的拉伸载荷和拉伸强度最大。对BT—FSW而言，热量由旋转的上下轴肩及搅拌针与焊件摩擦产生，其分布特征直接决定了界面金属流动、焊缝组织演变、焊接缺陷等冶金行为，进而影响整个接头的力学性能和残余应力分布[14-15]。最近，安丽等【l叫研究了固定间隙式BT—FSW温度场

6、分布规律。发现上下轴肩与焊件接触面处温度最高，高温区以焊缝为长轴呈椭圆形分布，且搅拌头前方温度变化比后方快，该分布特征与常规FSW相似。BT—FSW厚度方向的温度分布与常规FSW差别较大，如图1固定间隙式双轴肩搅拌头Fig．1Fixedgapbobbintool圆柱槽)(槽距2mm)f面网}螺纹图2不同特征的搅拌针Fig．2Probeswithdifferentcharacteristics图3所示。BT—FSW温度场关于板厚中心呈对称分布，上下表面的高温区比中间层高温区宽。这是因为焊接过程中轴肩与焊件摩擦产热大于搅拌针产热。李敬勇等1171发现接头后退侧温

7、度均显著高于前进侧。同时由于采用螺纹型搅拌头促使塑性材料向下轴肩流动，导致下轴肩焊件温度较上轴肩焊件的温度高。BT—FSW过程涉及温度与力两种变量之间的相互作用，属于非线性热力耦合问题。和子程序相比，热力耦合模型更能准确模拟其温度分布规律。王非凡”81采用欧拉一拉格朗El热力耦合模型研究了焊接过程中搅拌针前方、中间和后方位置的温度分布规律(见图4)。从图4中可知，搅拌头后方温度高于前方和中间位置。在搅拌头作用区内，焊接温度接近469oC(0．93L。)，比常规FSW(0．8～0．9T。)热输入略高。对比前进侧(AS)和后退侧(RS)温度曲线发现，距离焊缝中心

8、线相同位置处，后退侧温度稍高于前进侧。众所周知，塑性